Šum v digitální fotografii

Co je šum?

Obecně se jako šum označují náhodné, nepředvídatelné a nežádoucí signály nebo změny signálů, které zakrývají požadované informace. V konkrétním případě digitální fotografie se jedná o nežádoucí změny snímaného obrazu. Zašuměná fotografie pak vypadá jako zrnitá, tečkovaná nebo pokrytá nevzhlednými barevnými body.
Tento problém se nevyhýbá ani klasické fotografii, kde se však hovoří o zrnu filmového materiálu. Jeho podstatou je fyzická velikost zrnek chemických sloučenin v záznamové vrstvě. Pokud své filmy digitalizujete pomocí filmového skeneru, tak se za určitých podmínek (nastavení vysokého rozlišení) může zrno použitého materiálu přenést do výsledného obrázku a stát se tak z velké části původcem šumu. V případě digitální fotografie je situace poněkud komplikovanější. Faktorů, které se podílejí na vzniku šumu, je celá řada a pouze některé z nich máme možnost ovlivnit. Společným znakem je, že se šum projevuje především na snímcích pořízených za špatných světelných podmínek. Jak to tedy je?
Podstatou fungování snímacích čipů digitálních fotoaparátů je převod energie dopadajícího světla (fotonů) na elektrický náboj. Hodnoty elektrického náboje vygenerované světelnými senzory jsou analogovým signálem, který je následně konvertován A/D převodníkem (Analog to Digital Converter) do výsledného digitálního obrazu.

Příčiny šumu v digitální fotografii

Základním typem šumu je tzv. náhodný šum (random noise). Jeho příčinou jsou tepelné změny v elektronických součástkách ovlivňující výstupní analogový signál a kolísání počtu fotonů dopadajících na světlocitlivé buňky snímače (souvislost s kvantovou povahou světla). Ze statistiky těchto náhodných jevů vyplývá (zjednodušeně řečeno), že úroveň šumu je úměrná druhé odmocnině hodnoty signálu. Zvýší-li se množství světla 4 x, vzroste šum pouze 2 x a tím pádem se také zvětší odstup signálu od šumu. Proto je při dostatečném osvětlení hladina šumu prakticky zanedbatelná. Úroveň náhodného šumu se mění jak v prostoru (napříč sejmutým obrázkem) tak v čase a k jejímu zvýšení přispívá nedostatečné množství světla, vysoká teplota snímacího čipu a malé rozměry světlocitlivých bu­něk.

Tepelná energie přítomná v polovodičových senzorech může vygenerovat elektrický náboj, aniž by na světlocitlivé buňky dopadalo nějaké světlo. Takto vzniklý náboj bohužel nelze nijak odlišit od skutečného signálu vzniklého během expozice. Naštěstí nežádoucí náboj zůstává za dané teploty a nastavení expozice v podstatě stejný a tak stačí udělat jeden snímek se zavřenou závěrkou a ten pak „odečíst“ od skutečného snímku. Tento typ šumu je označován jako tzv. temný šum (dark noise, dark current noise, leakage current nebo také thermal noise). Úroveň temného šumu roste s prodlužující se délkou expozice, se zvyšující se teplotou (šum poklesne na polovinu při každém snížení teploty o 8–10 °C) a s rostoucím stářím snímacího čipu.
Dalším typem šumu je tzv. zesilovací šum (amplification noise) související s nastavením hodnoty ISO. Většina digitálních fotoaparátů dokáže pracovat s několika úrovněmi citlivosti. Ale na rozdíl od klasické fotografie, kde je citlivost dána použitým filmovým materiálem, u digitálních přístrojů zůstává snímací čip stále stejný. Proto jsou hodnoty elektrického náboje vygenerované světelnými senzory před dalším zpracováním zesíleny a právě míra zesílení je řízena nastavením hodnoty ISO. Pokud zvolíte vyšší hodnotu citlivosti, dojde nejen k většímu zesílení signálu, ale také šumu, který se tím pádem může negativně projevit na výsledné fotografii. Koneckonců i vlastní zesilovací obvody mohou do výsledného obrazu zanést nějaké další chyby. Zesilovací šum je problematický zejména u modrého kanálu CCD snímačů (Charge Coupled Device jiným používaným typem jsou CMOS snímače – Complementary Metal Oxid Semiconductors). Modrý kanál má totiž často nižší citlivost, a proto musí být ještě před tím, než se spojí s červeným a zeleným kanálem, zesílen. V opačném případě by především při vyšších hodnotách ISO docházelo k barevným posunům.

Jednotlivé světlocitlivé buňky snímacích čipů nejsou zcela totožné, mohou se lišit např. svou velikostí či tvarem. Výsledkem je mírně odlišná reakce na stejnou hodnotu vstupního signálu (světla). Vzhledem k pravidelnému uspořádání senzorů vzniká jakýsi vzor šumu (fixed pattern noise), který se opakuje ve všech snímcích. Naštěstí je tento typ šumu obvykle úspěšně potlačen během zpracování vstupního signálu v digitálním fotoaparátu.

Vliv šumu na velikost souborů

Šum má z pohledu uživatele digitálního fotoaparátu ještě jednu nepříjemnou vlastnost – zvyšuje velikost datových souborů a tím pádem i nároky na kapacitu paměťových karet. Tento problém se ale týká pouze těch fotografů, kteří pracují s formátem JPEG. Příčinu je třeba hledat v použití komprese, přesněji ztrátové komprese, při ukládání dat v tomto formátu. Situace je obdobná jako u ostatních typů souborů – některé obrázky lze komprimovat více a jiné méně. Obecně platí, že čím více detailů fotografie obsahuje, tím méně se dá zkomprimovat. Proto kompresní algoritmus používaný formátem JPEG dosahuje u obrázků se šumem nižší úroveň komprese než u snímků bez šumu. Velmi zjednodušeně si to můžete představit tak, že JPEG považuje zašuměná data za obrázek s velkým množstvím detailů, které je třeba zachovat.
Tento jev se dá dobře ilustrovat na sérii fotografií vybraného objektu pořízené za stejných podmínek, ale s různým nastavením citlivosti. Následující tabulka například ukazuje situaci u originálů výše uvedených snímků keramické figurky slona: